人工湿地动力学模型的建立
摘要：人工湿地作为一种较新的水处理技术，对其处理机理的理解还不够充分，对其影响因素的认识还不够全面，因此经常由于设计不当使得出水达不到设计要求或者不能达标排放，有时人工湿地甚至还会成为污染源。因此对湿地污染物去除动力学的研究可以为湿地的设计提供进一步的理论支持。本文概要地介绍了人工湿地污水处理的污染物去除动力学模型的研究进展。
关键词：人工湿地动力学模型水处理
Progress of Development of Kinetic Models for Pollutants Removal with Constructed Wetlands
Abstract：Constructed wetlands provide an economical and effective method for wastewater treatment. Usual kinetic models for pollutants removal in the treatment of wastewater with constructed wetlands include first －stage kinetic models and Monod models，both of which are based on the mass balance of pollutants in stable status.In future，it is also necessary to take into consideration the effects of space distribution of vegitation and actual residence time in improving and developing the mathematic models.
Key words：constucted wetlands；kinetic model；wastewater treatment 自西德1974年首次建造人工湿地以来，由于其具有投资低、出水水质好、操作简单、维护运行费用低等特点，被广泛用于生活污水、矿山酸性废水[3-4]、纺织工业[5]和石油工业[6-7]等工业废水的处理。
人工湿地作为一种较新的水处理技术，对其处理机理的理解还不够充分，对其影响因素的认识还不够全面，因此经常由于设计不当使得出水达不到设计要求或者不能
达标排放，有时人工湿地甚至还会成为污染源“”。因此对湿地污染物去除动力学的研究可以为湿地的设计提供进一步的理论支持。
本文概要地介绍了人工湿地污水处理的污染物去除动力学模型的研究进展。
1、一级动力学模型
1.1 一级动力学模型简介
湿地设计通常采用的是一级动力学模型，其基本设计方程被澳大利亚、欧洲、美国广泛应用于湿地的设计和对湿地污染物去除效果的预测。虽然有许多局限性，但由于其参数的求解及计算过程都很简单，因此目前仍把它作为描述湿地中污染物去除的最合适的方程，广泛应用于BOD、营养物、SS和细菌以及金属离子的去除计算。
用于湿地的一级动力学方程，主要考虑处理负荷与处理效率之间的关系，模型的推导以基质的降解服从一级反应动力学为基础。经常设模型中的一些参数如速率常数等为常量与水力负荷或进水浓度无关，以及湿地中的水流形态为稳定的柱塞流等。这些一级动力学模型有的采用体积速率常数kv来确定湿地所需的体积，有的采用面积速率常数k.来确定湿地所需的面积，kv多用于潜流型人工湿地，而kA则在表面流入工湿地中应用更多。
这些一级动力学模型通常的表达方式为C0=Ciexp（－kv.t）（1）
C0=Ciexp（-kA/q）
式中：Ci——进水浓度，[M／L3]；
C0——出水浓度，［M／L3］；
kv——体积去除速率常数，［1／T］；
kA——面积去除速率常数，［L／T]；
t——水力停留时间，[T]；
q——水力负荷，［L／T］。
1.2 二参数一级动力学模型
上述的一级动力学模型中只包含一个参数kv或k……在Eckenfelder模型中，如果污染物中存在不可生物降解部分，则需在方程中加人不可生物降解物质浓度项。在湿地中，即使没有不可降解的污染物，大气或地下水的贡献、化学作用以及生物地理化学循环也会产生背景浓度。即使是BOD，由于植物枯叶或其它有机物分解生成BOD，同时源自养过程积累并将含碳有机物释放回湿地中，也会形成1-10mg／L背景BOD.于是Kadlec和Knight建议引入背景浓度，低于背景浓度的污染物不能被降解，并在一级反应动力学方程中加入背景浓度项C*：（co—c*）／（ci—c*）＝exp（—kv.t）（3）
（co—c*）／（ci—c*）＝exp（—kA／q）（4）
1.3 三参数一级动力学模型
不论单参数还是二参数模型，在运行和设计条件改变时，都不能保持参数的稳定性，于是研究者又在模型中加人了第三个参数，提出了三参数模型。
1.3.1 加入描述水力负荷变化对k值影响的参数m，对k值进行修正：
kv＝kv′。qm （5）
研究表明参数m的引入可以提高数据与模型的吻合程度，但并不能消除水力负荷对表观背景浓度的影响。
1.3.2 加入表征扩散特性的参数
湿地示踪实验结果与考虑扩散的二维速度场相类似，所以在方程中加入扩散参数，得到：（co－c*）／ci－c*）＝［4 bEXP（Pe／2）］／
［（1＋b）2exp（bPe／2）－（1－6）2 exp（－bPe／2）］b （7）
＝（1+4Da/Pe）0.5 （8）
式中：Pe—Peclet数（Pe=uL／D），
u——流速，[L/T]；
D——扩散系数，［L2／T］；
Da—Damkohler数（Da＝kv.t）。
扩散参数的加入只能对流动非理性特性中的扩散引起的偏差进行修正，但是对于短流等的影响却没有在方程中得到反映。
1.4 一级动力学模型的局限性
1.4.1 参数的不稳定性
一个好的模型其所含的参数不应随操作条件的改变而变化，但单、二、三参数模型都不能满足对参数稳定性的要求。
通常认为速率常数和背景浓度为常数，但实际上它们与湿地的特征及操作条件有关，其值受自由水深、水力负荷、进水浓度。扩散、降雨和蒸发等各种因素的影响[9，18].另外一级动力学模型假设速率常数和背景浓度在时间和空间上保持不变，但是由于湿地植被及湿地中微生物的空间分布不均匀，所以必然造成速率常数和背景浓度的空间分布；并且由于一天中气温等条件的变化，它们的取值在一天当中也是变化的。所以即使对同一个湿地而言，一组参数也只适用于一组数据，而对另一组数据可能就无效，模型参数不是某个固定的值，而是有个围。
1.4.2 非理想流动特性的影响
风、生物扰动作用、速度梯度、短流以及水流受到湿地植被阻挡的绕流都使湿地中的流动形态偏离了模型最初的柱塞流假设。
1.4.3 季节的影响
为了验证一级动力学模型是否适用于人工湿地对重金属的去除，Richard
R.Goulet等进行研究，结果表明是否符合一级动力学模型与季节有关。溶解性Zn的去除在春、夏、秋季符合一级动力学，在冬季不符合；而溶解性的Fe、Mn与总Fe、总Mn只在春季符合一级动力学模型[19].
对于那些处理酸矿废水的湿地，由于金属负荷高，Fe、Mn还原作用对去除效果的影响不大，所以仍很好的满足一级动力学模拟[4，20-21].
1.4.4 去除能力的限制
按照一级动力学，污染物的去除速率r［MT-1］为：
r=Q.Cin（1-exp（-kv.t）（8）
r=Q.Cin（1－exp（-kA／q）（9）
由上式可知，去除速率随流量和进水浓度乘积（即进水污染物负荷）的增大而增大，这样在理论上不存在去除速率的界限。只要进水污染物负荷增加，去除速率可以无限增大，湿地似乎具有无限的去除能力，这显然与实际情况不符。
1.4.5 随机事件的影响
一些不可预见的随机事件会对系统产生很大的影响，例如进水流量及浓度的波动、气候、生物活动和其它生态因素。另外降雨和蒸发在湿地中形成了第二水力负荷，这种附加的负荷有很多方面的影响，例如改变了水力停留时间，混合、扩散、短流以及其它流动特性也因此而发生变化。
2、Monod动力学模型
在传统的污水处理设施和附着型生物处理系统中，可以观察到随着进水浓度的增加，反应动力学会从零级变为一级[22].所以假设湿地中的生物过程与其他的生物系统一样，符合Monod动力学[23]：
dc／dt＝k0.v[c／K＋c）］（10）
dc／dz=-k0.vaε/Q.[c／（K+c）]=［－k0.A／（q.z）］。［c／K+c）］（11）式中：k0，v——零级体积速率常数，［ML－3T-1］；
k0，A——零级面积速率常数，［ML-2T-1]
K——半饱和常数，［ML－3］；
Z——湿地床的长度，［L］；
ε——湿地床的孔隙率，［L3L-3］；
a——湿地的横截面面积，［L2]；
Q——流量，［L3T-1].
对于某一湿地床，其k0，v和床体积V一定，其所能承受的微生物的最大数量也是一定的，所以其最大去除速率也存在一个上限值，即k0，v.V.
定义了标准化负荷RL（即进水污染物负荷与最大可能去除率的比值）和标准化去除率RR（即湿地床污染物去除率与最大可能去除率的比值）：
RL=ciQ／（k0，v.V）（12）
RR＝（Ci－c0）Q／k0.v.V）（13）
标准化负荷与标准化去除率的关系如图1所示。对于某一固定的进水浓度，开始系统处于一级动力学段，随着流量的增加其去除速率按相应比例增加；直到进入零级动力学段，这时湿地去除速率达到最大（相对于这一进水浓度），流量再增加，去除速率保持不变，出水浓度会增加。提高进水浓度，可以提高其去除速率，同时与之相对应的最大去除速率也就越大。当进水浓度相对于K趋近于无穷大时，湿地达到了其性能的极限。如果标准负荷R凡＜1，湿地的去除效率为100％，即出水污染物的浓度为零。随着流量的增大，其去除速率按相应比例增大，与图中斜率为1 的100％去除
效率直线相对应；当标准负荷RL≥1，湿地的处理能力达到极限，处于饱和状态，其去除速率等于最大去除速率同时也是湿地的最大可能去除速率，标准化去除率为1，对应于图中的绝对最大去除率直线。
与一级动力学模型相比，Monod动力学模型更符合微生物处理的实际情况，更为合理，所以更适用于那些微生物起主导作用的污染物降解过程。
3、今后研究的方向
一级动力学和Monod动力学的设计方程都是由污染物稳态时的质量平衡得到的，都是湿地床的静态宏观模型，两者都没有考虑到传质效率，即都假定物质从液相迁移到生物膜的过程没有阻力。
新的模型应考虑到湿地植被的空间分布，应根据实际的停留时间分布来模拟污染物在湿地中的去除，而不是仅考虑单一的停留时间t.另外人工湿地是一个复杂的生态系统，其对污染物的去除是人工湿地各组成部分共同作用的结果，新的模型应充分考虑到各种因素的影响，因此应对人工湿地污染物去除的机理及其影响因素作深入全面的研究。
目前我国湖泊治理面临的一个难点是面源污染难以控制，农田施用化肥后地表径流将大量富营养化的污水带入湖泊。另外，城镇污水处理的最主要渠道——污水处理厂由于截污管网不完善，运转费用高昂等原因，大多时开时停，那些被\“遗忘\”的生活污水于是也汇入河道，流进湖泊。调查显示，湖泊约有70％以上的污染物是通过河道进入的。将人工湿地选择建设在河道的入湖口处，就是为了解决这种面源污染的问题。更引人注意的是，相对污水处理厂而言，人工湿地建设和运转费用低廉。每吨污水治理费仅为处理厂的二十分之一，而处理量是其3倍多。建设费用仅为几百万元，
远远低于污水处理厂所需。抚仙湖项目的监测数据表明，污水处理后的总氮量、总磷量去除率分别为50％和40％。
甘坑人工湿地系统工程建在龙岗区布吉镇甘坑村排污口，日处理污水量达1.6万吨，它可以处理甘坑村的全部生活污水以及一部分的工业污水。
人工湿地污水处理技术是一项新的污水生态处理技术，它是将污水投放到人工建造的类似于沼泽地的湿地上，通过植物、微生物、土壤的共同作用净化污水。水质决定污水在湿地停留的时间，少的2～3天，多的10～20天。用人工湿地来处理生活污水和工业有机废水，效果很好，一般出水的COD能达到30毫克／升以下，BOD能达到10毫克／升以下，远远优于国家排放标准，可以达到地面水三级标准。据了解，发达国家从20世纪90年代起广泛采用人工湿地来处理污水。如美国有1万多座人工湿地污水处理系统，丹麦有800多座。处理的废水除了生活污水之外，还有垃圾填埋场的渗沥液、某些工业废水如炼油厂的废水等等，此外，还能处理城市污水处理厂的污泥。
人工湿地是一个形式丰富多样的污水处理系统，主要分为天然湿地、自由水面湿地（地表流式）、地下水流湿地（潜流式）和渗滤湿地四大类。当今广泛应用的有两大类。一类是地表流式，有点类似于稻田，污水流进湿地停留若干天后排出，这一工艺的优点是造价低。每吨污水150～300元，缺点是占地面积很大，污水可能会散发出臭味，此外冬天会结冰，影响处理效果，不太适合特别寒冷的地区。另一类是潜流式，将污水通过管道输送到人工土壤介质中，表面种植植物，类似于微灌、滴灌，优点是占地面积很小、污染物去除率高、冬季不影响运行，且没有臭味，缺点是相对于地表流造价大一些，每吨污水800元左右。目前发达国家的人工湿地污水处理系统主要为潜流式，占90％以上。
人工湿地污水处理技术与传统的污水二级处理工艺———“活性污泥法”相比较，具有许多优越性。一是因为它不需要曝气充氧和投加化学药剂、能源消耗和管理费用低，所以处理成本非常低廉，一般为0.1～0.2元／吨污水，而“活性污泥法”为0.5～1元／吨污水。二是因为它需要的构筑物和设备很少，所以造价也低，一般为150～800元／吨污水，而“活性污泥法”为1500元／吨。三是脱氮脱磷效果好，能够解决水体富营养化的问题。湿地植物能够大量吸收污水的含氮含磷化合物，实践表明，生活污水经过湿地处理后，总氮和总磷的去除率分别可达
到70％和90％以上，而“活性污泥法”只能达到30％。四是不产生污泥。“活性污泥法”在处理污水的过程中要产生大量的污泥，一般处理1000吨污水要产生1吨污泥。污泥的处理对污水处理厂来说是个棘手的问题，通常采用脱水、干化、填埋来处理，费用比较高。五是可以把不毛之地改造成绿洲、把污水处理厂建设成生态景观，既美化了环境，又为野生动物提供了栖息地。六是人工湿地生长的芦苇等植物可以作为工业原料，具有经济效益。
人工湿地水处理技术开发
水资源是人类社会赖以生存的自然资源，然而水资源短缺与水体污染日趋严重是我国目前的现状，加之社会进步、人民生活水平提高对废水排放和饮用水质制定提出了更严格的标准，发展运用经济的处理方法处理有机污染和N、P等营养物问题、有效经济地去除水中有害污染物是一个极富挑战性的课题。
1996年Kathe Seidel提出利用高等植物的生化作用去除污染物的思想，通过芦苇等植物的根区产生微生物活性区域作为生化反应器来转化降解以至最终去除污染物。德国、英国分别进行了实验，利用河砾和河砂作为植物生长基质构建了高分散度的废水处理设施并获得成功。目前，人工湿地处理系统成为英国小城镇污废水处理系
统的重要组成部分，其在欧盟各国及美国的应用也较广泛，处理后的水可以按质进行回用，实现了资源的再利用。我国科学家在70年代对包含湿地处理在的土地处理技术进行研究，但研究侧重于植物对污染物的富集作用，在实际应用中存在较严重的二次污染问题，收获的植物茎叶无法妥善处置，而且工程占地面积大，效率偏低，植物不耐寒，从而阻碍了人工湿地处理系统的推广应用。本课题组经过研究，已经解决了上述问题，该技术可以应用在下列领域：
1、在小城镇污水处理中的应用
人工湿地可以接受大规模的生活污水和低浓度的工业废水混合进水，具有高效低耗简单实用的特点；在控制有毒有机物和重金属的基础上，对来水进行初步和二级处理，出水可以用于行道树喷洒、林木农田灌溉以及生活用水等。人工湿地工程还可作为地区一个旅游景观。
2、对农村污水无害化处理和利用
对N、P等营养物质的去除是人工湿地处理系统的一大特点，植物和微生物的吸收同化作用可以使出水一次性营养物指标达标，且不存在二次污染，植物体可用作饲料、肥料等，具有显著经济效益。另外强化的人工湿地还有彻底降解矿化有机污染物、消灭有害病原体的作用，因此它适用于对农村污水（包括畜禽养殖污水、生活污水等）进行无害化处理、实现水资源再利用。
3、有毒无害污染的无害化
在已有理论研究的基础上，合理选择水生植物和微生物种类，实现重金属的固定化和有机污染物的减毒转化和彻底的矿化、对垃圾填埋渗滤和污泥的资源化。
目前，许多城市污水处理能力还不能满足截污需要，应当运用人工湿地污水处理技术进行治理。
一、从生物净化原理看，人工湿地是一项新型的污水处理技术，人工湿地生态系统水质净化技术的基本原理是：
在一定的填料上种美人蕉、富贵竹、芦苇等特定的植物，将污水投放到人工建造的类似于沼泽的湿地上。当富营养化水流过人工湿地时，经沙石、土壤过滤，植物根际的多种微生物活动，使水质得到净化。像造纸废水等不含有毒物质，只是有机物浓度较高，排到河里危害极大，但用来浇灌水生植物是一种很好的优质肥料。
二、从许多地方经验看，人工湿地已产生良好的环境治理效应
与欧盟合作研究的人工湿地技术，经多年实践已取得明显的生态和经济效益。它们的人工湿地系统水质净化工程，就是芦苇、美人蕉等五六种热带植物和亚热带植物按一定比例配置，再栽种到由沙子、细石等填料构成的水池里，原本臭不可闻的污水经池里流出后，马上变得清澈见底，达到国家地表水标准。
三、从建设投入成本看，人工湿地可解决资金的明显不足问题
人工湿地处理污水的运行成本非常低廉，一般为每吨污水0.1～0.2元，它是传统二级处理的1／10～1／5.此外，基建投资也少得多，通常为每吨污水150～800元，是传统二级污水处理厂的1／5～1／2.同时，湿地植物还可以作为工业原料和生活资源。如省市双灯纸业利用沿湖滩涂种植了3.4万亩芦苇，用造纸废水进行灌溉，每年可收割大量的芦苇，有效地解决了造纸原料供应问题。
四、从自然调节作用看，人工湿地还具有强大的生态修复功能
有资料表明，人工湿地不仅在提供水资源、调节气候、涵养水源，均化洪水、促淤造陆、降解污染物、保护生物多样性和为人类提供生产、生活资源方面发挥了重要作用。此外，它还能吸收二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳等，增加氧气、净化空气、消除城市热岛效应、光污染和吸收噪声等，并对保护野生动物和提高局部地区景观的
美学价值也有很大的益处。如市的芦苇湿地建成后，鸟类的数量比原来增加了一倍以上，茂密的芦苇不仅销纳大量的城市污水，又成了鸟类的乐园，吸引了大批丹顶鹤前来栖息。因此，又具有强大环境调节功能和生态效益，既给城市污水找到了出路，同时还造就了一片绿洲，形成一个令人赏心悦目的生态景观和旅游景点，进而美化净化环境，克服了传统污水处理后有污泥产生等不足，达到了保护自然生态的效应。生活资源方面发挥了重要作用。此外，它还能吸收二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳等，增加氧气、净化空气、消除城市热岛效应、光污染和吸收噪声等，并对保护野生动物和提高局部地区景观的美学价值也有很大的益处。如市的芦苇湿地建成后，鸟类的数量比原来增加了一倍以上，茂密的芦苇不仅销纳大量的城市污水，又成了鸟类的乐园，吸引了大批丹顶鹤前来栖息。因此，又具有强大环境调节功能和生态效益，既给城市污水找到了出路，同时还造就了一片绿洲，形成一个令人赏心悦目的生态景观和旅游景点，进而美化净化环境，克服了传统污水处理后有污泥产生等不足，达到了保护自然生态的效应。
“人工湿地概念是，由人工建造和监督控制，充分利用湿地系统净化污水能力的特点，利用生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用，通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对污水的高效净化”，俞教授介绍说。
人工湿地主要由五部分组成，一是具有各种透水性的基质，如土壤、砂、砾石；二是适于在饱和水和厌氧基质中生长的植物，如芦苇等；三是水体（在基质表面上或下流动的水）；四是无脊椎或脊椎动物；五是好氧或厌氧微生物种群。湿地植物在湿地系统中具有三个间接的重要作用：一是显著增加微生物的附着（植物的根、茎、叶）；二是湿地植物可将大气氧传输至根部，使根在厌氧环境中生长；三是增加或稳定土壤的透水性。
人工湿地处理系统的特点是：建造和运行费用便宜；易于维护，技术含量低；可进行有效可靠的废水处理；可缓冲对水力和污染负荷的冲击；可产生效益，如水产、畜产、造纸原料、建材、绿化、野生动植物栖息、娱乐和教育。不足之处是：占地面积大；不精确的设计运行参数；生物和水力复杂性及对重要工艺动力学理解的缺乏；易受病虫害影响。人工湿地不仅可以用于城市和各种工业废水的二级处理，还可用于高级处理的精处理和对农田径流的处理，在有些情况下，人工湿地可能是唯一的适用技术。
湿地生态系统的成败关键是水。规划的园区水系统包括6部分：
（1）园区各建筑组团产生的生活和实验室污水收集系统，位于地下；
（2）位于园区西北的生活污水污水处理温室，收集的污水在这里进行2级处理；
（3）环绕园区的线状湿地系统，经过初步处理的污水缓慢绕园一周后成为干净水源进入；
（4）以湖泊水面、挺水植物群落为主的中央湿地；
（5）屋顶和园绿地在降雨情况下形成的径流直接进入湿地系统，在绿地需要灌溉季节，可以直接从湿地系统取水；
（6）园区和外界的水交换系统，建园初期，中央湿地系统土壤渗漏量大，需要从园区外引进一定数量水用于维护湿地和绿地系统，冬季湿地生物活动低，处理的污水数量减少，需要向园区外的城市污水收集系统输出一定数量的污水。
事实上，通过收集园产生的生活废水和利用降雨，可以基本保持园水量平衡。建园初期，由于湿地的湖、沟土壤渗漏较大，实际水量平衡偏差可能会比较大。为了减少渗漏，可以考虑用黏土等处理湖、沟底部。经过多年自然淤塞，土壤渗漏将逐渐降低并稳定在一定水平，通过园区湿地处理后节余一定数量的干净水是完全可能的。
人工湿地（CW-Constructed Wetland）污水处理技术是70年代末发展起来的一种污水处理新技术。它具有处理效果好、氮磷去除能力强，运转维护管理方便、工程基建和运转费用低以及对负荷变化适应能力强等特点，比较适合于技术管理水平不很高，规模较小的城镇或乡村的污水处理。
人工湿地的净化机理：人工湿地对废水的处理综合了物理、化学和生物的三种作用。湿地系统成熟后，填料表面和植物根系将由于大量微生物的生长而形成生物膜。废水流经生物膜时，大量的SS被填料和植物根系阻挡截留，有机污染物则通过生物膜的吸收、同化及异化作用而被除去。湿地系统中因植物根系对氧的传递释放，使其周围的环境中依次出现好氧、缺氧、厌氧状态，保证了废水中的氮磷不仅能通过植物和微生物作为营养吸收，而且还可以通过硝化、反硝化作用将其除去，最后湿地系统更换填料或收割栽种植物将污染物最终除去。
湿地处理系统的设计
1、选址
考察地质、地貌、水文、自然资源、人文资源、有关法律及公众意见。应因地制宜，尽量选择有一定自然坡度的洼地或经济价值不高的荒地，一方面减少土石方工程、利于排水、降低投资，另一方面防止对周围环境产生影响。
2、确定系统组合形式根据场地特征、处理要求和所处理污水的性质来确定。单一式、并联式、串联式、综合式。
3、确定水力负荷根据文献或经验而定。
4、选择植物
根据湿地植物的耐污性能、生长能力、根系的发达程度以及经济价值和美观等因素来确定。一般有芦苇、席草、大米草、水葫芦、水花生等，最为常用的是芦苇，插植密度为1～3株/m2.
5、计算表面积As=Q/a：As—表面积；Q—进水流量；a—水力负荷。
6 确定长宽比
1）表面流湿地：长宽比10：1或更大，根据地形来考虑，底坡降0%～1%.
2）潜流湿地：根据达西定律Q=Ks×A×S
S—水力坡度；A—湿地床横截面积；Ks—潜流渗透系数。或厄刚公式As=5.2Q[LN （So-Se）]，So—进水BOD浓度；Se—出水BOD浓度；As—湿地床表面积。
7、结构设计
（1）进出水系统的布置：湿地床的进水系统应保证配水的均匀性，一般采用多孔管和三角堰等配水装置。进水管应比湿地床高出0.5m.湿地的出水系统一般根据对床中水位调节的要求，出水区的末端的砾石填料层的底部设置穿孔集水管，并设置旋转弯头和控制阀门以调节床的水位。
（2）填料的使用：湿地床由三层组成表层土层、中层砾石、下层小豆石。表层土钙含量在2～2.5kg/100kg为好；砾石层粒径在5～50mm，铺设厚度0.4～0.7m.
（3）潜流式湿地床的水位控制：当接纳最大设计流量时，进水端不能出现雍水现象；当接纳最小流量时，出水端不能出现填料床面的淹没现象；有利于植物生长，床中水面浸没植物根系的深度应尽可能均匀。
8、编制施工计划
9 修改设计根据出现的问题对设计进行相应的修改。
10、施工
11、试运行
12、竣工交付使用
启用人工生态湿地
10月15日，一处由美国公司和英国海洋公司参与设计的、集污水处理与雨水处理为一体的人工生态湿地在浑南新区竣工启用。人造湿地用于生态环保，已走在全国前例。湿地占地面积10.1万平方米，由雨水湿地生态工程、污水湿地生态工程、污泥矿化床湿地工程三部分组成。该工程始建于今年4月，工程总造价约为1200万元，每天可处理生活污水及雨水3000多吨。这也是继市去年秋季满堂小区人工湿地后投入使用的第二块人工湿地。
人造湿地技术在国外已经比较成熟，主要是通过土壤微生物和植物根系的吸纳和分解，对生活污水起到消化、净解作用。浑南新区人工湿地工程为一个平流湿地，经过物理、学和生物等综合过程，利用香蒲、芦苇、浮萍和荷花等水生植物来净化污水。夏季出水优于二级污水处理出水水质标准，冬季接近于这个标准。这部分出水汇同前期雨水一并进入雨水湿地，继续得到净化，最终净化后的水质达到中水回用标准，比一般污水处理厂处理后的水质还要好，可用于浇灌植物、清洗马路等。湿地产生的污泥还可以用作肥料。该湿地被人们形象地誉为“人工肾”。人工湿地的另一个好处是节省投入，运转成本低廉。除土地投入、布水系统和日常用电以外，没有大的运转费用。浑南新区规划力群院长称，与常规的污水处理费用0.7元／天～1元/天相比，它只需0.2元／天～0.3元/天左右，仅是传统污水处理费用的1/4.是我国著名的重工业城市，距离海岸240公里。
以前，一些未经处理的城市污水经过浑河、大辽河排入大海，是渤海重要的污染源头之一。
这块人工湿地的建成使用，不但能对本市涵养水分、调节气候、改善城市热岛效应起到一定的作用，也为有效控制陆源污染对海洋的排放，改变日益趋加重的海洋污染趋势提供了一个新的思路和借鉴。
建立飞机飞行动力学模型 飞机的本体飞行动力学模型分为非线性模型和线性模型。如图所示,线 性模型常用于飞机的飞行品质特性分析和飞行控制律设计,而非线性模型通常用于飞机稳定性和操纵性特征的精确估计,从而进行各种非线性特征和线性模型的误差分析。另外,非线性模型还特别用在一些特殊的飞行任务,例如大迎角和快速机动飞行等线性模型不适用的场合。 建立全量非线性六自由度运动方程 (1)刚体飞机运动的假设['3]: ①飞机为刚体且质量为常数; ②固定于地面的坐标系为惯性坐标系; ③固定于机体的坐标系以飞机质心为原点; ④忽略地球曲率,即采用所谓的“平板地球假设”; ⑤重力加速度不随飞行高度变化; 以上假设是针对几云J<3,H<30加飞机的。 (2)坐标系说明: ①地面坐标轴系凡一O。x:夕。29:在地面上选一点09,使xg轴在水平面内并指向某一方向,z。轴垂直于地面并指向地心,yg轴也在水平面内并 垂直于x。轴,其指向按照右手定则确定,如图2一3(a) ②机体坐标轴系凡一d朴忆:原点O取在飞机质心处,坐标系与飞机固 连,x轴在飞机对称面内并平行于飞机的设计轴线指向机头,y轴垂直
于飞机对称面指向机身右方,:轴在飞机对称面内,与x轴垂直并指向机身下方,如图2一3(b)。 (3)刚体飞机的全量六自由度非线性运动方程为: 力方程组: 力矩方程组： 运动方程组：
导航方程组： 符号说明: 建立飞机小扰动线化方程 (l)基本假设: ①小扰动假设:我们把运动状态与飞机基准运动状态差别很小的扰动运动 称为小扰动运动。采用小扰动假设线化后的方程,在大多数情况下均能 给出足够满意的结果。这是因为:a、在大多数飞行情况下,各主要气 动参数的变化与扰动量成线性关系;b、飞行中即使遇到相当强烈的扰 动,在有限的时间内飞机的线速度和角速度也往往只有很小的变化量。 ②飞机具有对称面(气动外形和质量分布均对称)则且略去 机体内转动部件的陀螺力矩效应。 ③在基准运动中,对称平面处于铅垂位置(即θ=0), 且运动所在平面与飞机对称平面相重合(即β=O)。 在满足上述条件下,可以推论出:纵向气动力和力矩对横侧参数在其基准运动状态下的倒数均等于零。 横侧气动力和力矩对纵向运动参数在基准运动状态下的导数也均等于零。
Study on Nonlinear Dynamical Model and Control Strategy of Transient Process in Hydropower Station with Francis turbine Haiyan Bao , Jiandong Yang, Liang Fu State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University No.8 Donghu South Road, Wuchang District, Wuhan 430072, China Haiyan_8931@https://www.doczj.com/doc/699338793.html, Abstract —The transient process in conduits of hydropower stations is a very complicated dynamic procedure coupled with fluid, machines, electricity. In this paper, a whole nonlinear dynamical model of transient process in hydropower station with Francis turbine has been developed, and the control strategies of each transient process are studied. The nonlinear characteristics of hydraulic turbine and the elastic water hammer effect of pressure water supply conduit are considered in the model. The developed model is accurate enough to represent and simulate each transient process of the plant and may enable a plant operator to carry out economical, convenient study for the static stability and transient stability of the hydropower station under a wide range of transient processes. In addition, the literature takes a hydropower station as engineering case to simulate the transient processes of hydro-generator units ’ start-up, load variation, full load rejection from the grid and emergency stop. And the results of simulation are very satisfied. Keywords-hydraulic transients; nonlinear mathematical model; numerical simulation; control strategy I.I NTRODUCTION H ydropower is an important and vital renewable energy resource, which converts energy in flowing water into electricity. Generally, a hydro-generator unit has many different operating conditions, and any operating condition changes will result in different hydraulic transients. The calculation of hydraulic transient is a key link for the safety and reliability of units and hydraulic installations. Traditionally, the objective of hydraulic transient calculation is to predict three primary regulation guaranteed parameters including the maximum dynamic pressure in the spiral case, the maximum rising ratio of rotating speed and the draft tube minimum pressure, consequently to ensure safety operation of hydropower station. H owever, with the development of hydroelectric construction and technology in China, the content of hydraulic transient calculation is continuously being enriched, it already not only include calculation of regulation guaranteed parameters, but also include calculation and research of stabilization and dynamic quality [1]. In conventional hydropower stations, there are a series of hydraulic transient processes, such as start-up, load variation, full load rejection from the grid, and emergency stop, where power and frequency regulations may always be needed [2]. In order to design suitable control law, stabilize the nonlinear systems, solve many existing control problems, reduce operating costs and energy losses, and improve guarantee security and safety of equipments and plants, it is necessary to develop a whole nonlinear dynamical model that is accurate enough to represent and simulate each transient process of the plant. The developed model may enable a control system designer or a plant operator to carry out accurate, economical, convenient study for the static stability and transient stability of the hydropower station under a wide range of operational modes and nonlinear process conditions, and to design the suitable control strategy, so as to improve stability of hydro-generator units. The literature review carried out in this work finds some published research works. In [3], a new kind of start-up rule is proposed, by using this rule the contradiction between fast start-up and smooth start-up is eliminated; In [4], it analyses the adjusting mode of power adjustment in digital electric-hydraulic governor, and how to realize power adjustment; In [5], the transient performance index of hydro-generator unit in a full load rejection are studied. owever, in the aforementioned published research works, the effect of hydraulic turbine characteristics and the elasticity of conduit walls on the transient process are neglected . In addition, a whole nonlinear dynamical model that can simulate each transient process of the plant isn’t developed in predecessors’ research works. In china, some large-scale hydropower stations often use the complex arrangement nowadays, moreover, the hydraulic conduits are getting longer, and its nonlinearity is very obvious. Therefore, it is very important and necessary to develop a whole nonlinear dynamical model for the complex hydropower system. II.M ATHEMATICAL M ODELS For developing the whole nonlinear mathematical model, the hydropower plant system is decomposed into decoupled dynamical modules as illustrated in Fig. 1, and a mathematical model for each module is developed. 978-1-4244-2487-0/09/$25.00 ?2009 IEEE
系统动力学模型介绍 1.系统动力学的思想、方法 系统动力学对实际系统的构模和模拟是从系统的结构和功能两方面同时进行的。系统的结构是指系统所包含的各单元以及各单元之间的相互作用与相互关系。而系统的功能是指系统中各单元本身及各单元之间相互作用的秩序、结构和功能，分别表征了系统的组织和系统的行为，它们是相对独立的，又可以在—定条件下互相转化。所以在系统模拟时既要考虑到系统结构方面的要素又要考虑到系统功能方面的因素，才能比较准确地反映出实际系统的基本规律。系统动力学方法从构造系统最基本的微观结构入手构造系统模型。其中不仅要从功能方面考察模型的行为特性与实际系统中测量到的系统变量的各数据、图表的吻合程度，而且还要从结构方面考察模型中各单元相互联系和相互作用关系与实际系统结构的一致程度。模拟过程中所需的系统功能方面的信息，可以通过收集，分析系统的历史数据资料来获得，是属定量方面的信息，而所需的系统结构方面的信息则依赖于模型构造者对实际系统运动机制的认识和理解程度，其中也包含着大量的实际工作经验，是属定性方面的信息。因此，系统动力学对系统的结构和功能同时模拟的方法，实质上就是充分利用了实际系统定性和定量两方面的信息，并将它们有机地融合在一起，合理有效地构造出能较好地反映实际系统的模型。 2.建模原理与步骤
(1)建模原理 用系统动力学方法进行建模最根本的指导思想就是系统动力学的系统观和方法论。系统动力学认为系统具有整体性、相关性、等级性和相似性。系统内部的反馈结构和机制决定了系统的行为特性，任何复杂的大系统都可以由多个系统最基本的信息反馈回路按某种方式联结而成。系统动力学模型的系统目标就是针对实际应用情况，从变化和发展的角度去解决系统问题。系统动力学构模和模拟的一个最主要的特点，就是实现结构和功能的双模拟，因此系统分解与系统综合原则的正确贯彻必须贯穿于系统构模、模拟与测试的整个过程中。与其它模型一样，系统动力学模型也只是实际系统某些本质特征的简化和代表，而不是原原本本地翻译或复制。因此，在构造系统动力学模型的过程中，必须注意把握大局，抓主要矛盾，合理地定义系统变量和确定系统边界。系统动力学模型的一致性和有效性的检验，有一整套定性、定量的方法，如结构和参数的灵敏度分析，极端条件下的模拟试验和统计方法检验等等，但评价一个模型优劣程度的最终标准是客观实践，而实践的检验是长期的，不是一二次就可以完成的。因此，一个即使是精心构造出来的模型也必须在以后的应用中不断修改、不断完善，以适应实际系统新的变化和新的目标。 (2)建模步骤 系统动力学构模过程是一个认识问题和解决问题的过程，根据人们对客观事物认识的规律，这是一个波浪式前进、螺旋式上升的过程，因此它必须是一个由粗到细，由表及里，多次循环，不断深化的过程。系统动力学将整个构模过程归纳为系统分析、结构分析、模型建立、模型试验和模型使用五大步骤这五大步骤有一定的先后次序，但按照构模过程中的具体情况，它们又都是交叉、反复进行的。 第一步系统分析的主要任务是明确系统问题，广泛收集解决系统问题的有关数据、资料和信息，然后大致划定系统的边界。 第二步结构分析的注意力集中在系统的结构分解、确定系统变量和信息反馈机制。 第三步模型建立是系统结构的量化过程(建立模型方程进行量化)。 第四步模型试验是借助于计算机对模型进行模拟试验和调试，经过对模型各种性能指标的评估不断修改、完善模型。 第五步模型使用是在已经建立起来的模型上对系统问题进行定量的分析研究和做各种政策实验。 3.建模工具 系统动力学软件VENSIM PLE软件 4.建模方法 因果关系图法 在因果关系图中，各变量彼此之间的因果关系是用因果链来连接的。因果链是一个带箭头的实线(直线或弧线)，箭头方向表示因果关系的作用方向，箭头旁标有“+”或“-”号，分别表示两种极性的因果链。
时间序列分析读书报告与数据分析 刘愉 200921210001 时间序列分析是利用观测数据建模，揭示系统规律，预测系统演化的方法。根据系统是否线性，时间序列分析的方法可分为线性时间序列分析和非线性时间序列分析。 一、 时间序列分析涉及的基本概念 1、 测量 对于一个动力系统，我们可以用方程表示其对应的模型，如有限差分方程、微分方程等。如果用t X 或)(t X 表示所关心系统变量的列向量，则系统的变化规律可表示成 )(1t t X f X =+或)(X F dt dX = 其中X 可以是单变量，也可以是向量，F 是函数向量。通过这类方程，我们可以研究系统的演化，如固定点、周期、混沌等。 在实际研究中，很多时候并不确定研究对象数据何种模型，我们得到的是某类模型（用t X 或)(t X 表示）的若干观测值（用t D 或)(t D 表示），构成观测的某个时间序列，我们要做的是根据一系列观测的数据，探索系统的演化规律，预测未来时间的数据或系统状态。 2、 噪声 测量值和系统真实值之间不可避免的存在一些误差，称为测量误差。其来源主要有三个方面：系统偏差（测量过程中的偏差，如指标定义是否准确反映了关心的变量）、测量误差（测量过程中数据的随机波动）和动态噪音（外界的干扰等）。 高斯白噪声是一类非常常见且经典的噪声。所谓白噪声是指任意时刻的噪声水平完全独立于其他时刻噪声。高斯白噪声即分布服从高斯分布的白噪声。这类噪声实际体现了观测数据在理论值（或真实值）周围的随机游走，它可以被如下概率分布刻画： dx M x dx x p 2222)(exp 21 )(σπσ--= （1） 其中M 和σ均为常数，分别代表均值和标准差。 3、 均值和标准差 最简单常用的描述时间序列的方法是用均值和标准差表示序列的整体水平和波动情况。 （1）均值 如果M 是系统真实的平均水平，我们用观测的时间序列估计M 的真实水平方法是：认为N 个采样值的水平是系统水平的真实反映，那么最能代表这些观测值（离所有观测值最近）的est M 即可作为M 的估计。于是定义t D 与est M 的偏离为2 )(est t M D -,所以，使下面E 最小的M 的估计值即为所求： 21)(∑=-=N t est t M D E （2）
系统动力学优化方法案例研究 1研究背景 农业生态系统是由自然生态系统和社会经济系统组成的复杂系统，它的发展受人类、社会、经济、政策、科技和自然等因素综合作用，呈现高度非线性、多回路、复杂的动态特性。农业生态系统的优化管理就是对农业生产进行合理的人为干预，通过政策实施和技术支撑，对系统结构和功能进行合理调控，使农业生态系统处于安全与健康状态，为人类提供持续的生态服务、满足人类生存和发展需求。 禹城农业生态系统为县级尺度的生态系统。全市拥有耕地52927 hm2，全市总人口499755人，其中农业人口415913人。土地平坦，水资源丰富，适合农业生产，经济以农业为主，农业长期以种植业为主，20世纪90年代，粮食单产稳定在12000kg/hm2以上，畜牧业有了较快发展，逐步呈现农牧结合的良好态势，到2000年种植业产值和畜牧业产值在农业生产总产值中分别占到65.0%和29.8%。种植业以小麦、玉米为主，部分为棉花、蔬菜、瓜果等经济作物，养殖业以牛、猪、鸡为主。目前，随着我国农业发展进入新阶段，面临新一轮农业结构调整，根据区域资源特点及我国优势农产品区划，禹城市既是粮食生产优势产区，同时也是畜牧业生产的优势产区，种植业子系统和养殖业子系统是禹城市农业生态系统两个最主要的子系统，种植业和养殖业的结合也是农业生产最基本的形式。养殖业在农业生态系统中的重要作用，一方面主要表现为提供营养丰富的动物性食品和增加经济收入，另一方面则表现为充分利用种植业副产物，并为种植业提供大量有机肥从而可适当减少化肥用量。种植业和养殖业的有机结合，有利于减少工业辅助能的投入，能够提高抵抗自然灾害和社会经济风险的能力，可以增加系统的稳定性。运用系统动力学方法优化并调控种植业和养殖业内部组分结构比例，协调种植业和养殖业两个子系统之间的相互关系，探讨实现系统的整体高效和良性循环的途径。 2模型的建立与检验 （1）建模思路 应用系统动力学模型对禹城市农牧结合生态系统发展趋势进行动态模拟，并
流体力学和双星形成的非线性动力学模型 张一方 云南大学物理系，昆明（650091） E-mail ：yifangch@https://www.doczj.com/doc/699338793.html, 摘 要：基于星云的流体力学和磁流体动力学，用非线性方程的定性分析理论讨论了双星的形成。非线性相互作用和旋转取到非常关键的作用。此外，Lorenz 模型可以由流体力学方程导出，模型中的双翼正好形成双星。而线性方程仅仅形成单星。 关键词：双星，非线性动力学，流体力学，Lorenz 模型，磁流体动力学 1. 引言 近年来，双星系统的普遍存在和解释成为天文学中一个令人关注的问题[1-7]。Itoh 等讨论了具有强场的相对论性紧密双星的运动方程[8]。Taniguchi 等讨论了广义相对论中同步的无转动双中子星的准平衡序列[9]。Büning 等用物理模型计算了在闭合双星中质量转移的数值稳定性[10]。Pittard 等推广了正在碰撞缠绕双星（colliding-wind binaries, CWBs ）的幅射模型[11]。Rensbergen 等重新分析了一类相互作用双星的演化[12]。云南天文台黄润乾院士对双星系统进行了长期研究，并且1999年对大质量双星系统的非守恒演化作了系统总结 [13]。 基于星云的旋转吸积盘的基本方程，我们应用非线性方程的定性分析理论得到了双星形成的非线性动力学模型[14]。在一定条件下，一对奇点作为演化结果相应于双星。而在其它条件下这些方程给出单个中心点，就相应于单星。这一模型和著名的Boss 等计算机模拟的结果是一致的[15,16]。但是，计算机模拟的定量过程仍然是一个问题。进而我们定性指出用Lorenz 方程可以形成双星，其中具有两“翼”的Lorenz 吸引子相应于双星[14]。Steinitz 和Farbiash 确定了双星中自旋（旋转速度）间的相互关系，并显示出自旋关系度与组成的分离是无关的。这一结果可以作为例子联系于星云形成的双星Zhang’s 非线性模型[17]。本文我们应用星云早期状态的流体动力学和别的非线性理论论证双星的形成，并证明非线性相互作用是其形成的必要条件。 2. 双星形成的非线性流体力学模型 基于早期星云的流体力学方程和磁流体动力学方程，非线性相互作用将在二维平面形成某些奇点。当Jeans 不等式λπρ>(/)/v G s 12成立时，引力不稳定，并且原始星云将塌缩。我们模型的基础是恒星起源于星云，而主要由氢和氦等离子体组成的星云服从非线性的磁流体动力学方程。它们的一般形式是著名的Alfver 方程[18]: graddivV V gradp B V c e F V V t V dt dV 3])([ημ??ρρ+?+?×+=?+=. (1) 这是具有磁力项的Navier-Stokes 方程。在二维星云的吸积盘中，方程变为 ),(3)()(2222y v x u x u y x x p v B c e F u y v x u t u z x ??????η????μρ??????ρ++++???+++?= (2) )(3)()(2222y v x u y v y x y p u B c e F v y v x u t v z y ??????η????μρ??????ρ++++????++?=. (3) 旋转作用显出后，方程可以重新写为[19]：
宿迁洋河新区水环境整治工程PPP项目 ——潜流湿地工程 施 工 方 案 编制人： 审核人： 编制单位： 编制日期：年月日
一、工程概况 1．工程简介 宿迁洋河新区水环境整治工程PPP项目潜流湿地工程，本项目垂直流人工湿地工程位于污水处理厂东侧绿地。 本工程建设内容，湿地总占地面积为1.01公顷，总有效面积9402m 2，划分为12标准单元，每个单元净面积为783.5 m3，总处理水量为3000m3/d，每天运行24小时，平均设计流量125 m3/h。湿地内部种植水生植物，湿地的水生植物由再生水厂供水，通过地埋PVC布水管进行连接供水，然后再由碎石、陶粒回填料进行过滤,最后由PVC放空管收集通过表流湿地进入泵站。 经原地面实际复测，测得原地面平均高程16.5m左右，湿地填料底标高为15.3m，整体需开挖土方1.2m左右。 2．参建单位 工程名称：宿迁洋河新区水环境整治工程PPP项目 建设单位：宿迁市东方水环境建设发展有限公司 监理单位：江苏兴盛工程监理有限公司 设计单位：北京市东方利禾景观设计有限公司 施工单位：北京东方园林环境股份有限公司
二、编制依据 1．招标技术资料 宿迁洋河新区水环境整治工程部分施工图纸； 宿迁洋河新区水环境整治工程部分招标文件； 宿迁洋河新区水环境整治工程部分岩土工程勘察报告。 2．现场实地调查 我单位针对本标段施工现场的具体情况进行了实地踏勘，另结合我单位自身的资源情况和实际施工能力、承担类似工程的施工经历、经验等编制了细致的材料。 3．采用技术规范及标准和相关法律、法规 《关于在基本建设工程中加强地下文物保护管理的通知》； 《宿迁市地方环境保护法规》； 《消防条例》； 《关于在基本建设工程中加强地下通讯电缆保护管理条例》； 《建设工程施工现场管理规定》； 《工程测量规范》GB50026-2007； 《水利水电工程施工测量规范》SL52-93； 《水利水电工程施工质量验收规程》（SL223-2008）； 《土工合成材料应用技术规范》GB50290-98； 《土工合成材料测试规程》SL/T235-1999； 《土工试验规程》SL237-1999； 《碾压式土石坝施工技术规范》DL/T5129-2001；
第15卷 第1期 石油化工高等学校学报 Vol.15 No.1 2002年3月 JOURNAL OF PETROCHEMICAL UN IV ERSITIES Mar.2002 文章编号:1006-396X(2002)01-0015-03 十七集总催化重整反应动力学模型研究(Ⅰ) ———模型的建立 丁福臣1, 周志军1, 杨桂忠1, 靳广洲1, 郑灌生2, 盖增旗2 (1.北京石油化工学院化学工程系,北京102600; 2.中国石化北京燕山石油化工股份有限公司炼油厂,北京102500) 摘 要: 按照集总理论的指导原则,从催化重整反应机理出发,提出了包含17个集总组分的催化重整反应网络,将重整物料按分子大小集总为C6、C7、C8和C+9,每一个碳数的化合物又划分为正构烷烃、异构烷烃、环烷烃和芳香烃4个集总,裂化产物C-5作为一个集总。集总组分与组分之间主要发生烷烃脱氢环化、环烷烃脱氢芳构化、烷烃异构化和加氢裂化反应,简化了一些发生几率小或对过程影响小的反应,如芳香烃和环烷烃的开环裂化反应、C-5组分的二次裂化反应等。以此反应网络建立的动力学模型比较简单实用,能更好地预测产品的芳烃产率分布和汽油辛烷值。 关键词: 催化重整; 动力学模型; 集总 中图分类号: O643.38 文献标识码:A 催化重整作为生产芳烃和高辛烷值汽油的主要途径,同时为炼厂提供了大量的副产氢气,在炼油化工企业占有举足轻重的地位。动力学模型的研究与开发对于重整装置的反应器设计,产物组成和产品质量的预测,以及优化生产操作,能带来巨大的经济效益,因此是工艺技术研究的重要方面。 在催化重整过程中,构成重整物料的组分繁多,单体烃化合物达二三百种,有众多连串和并行反应同时交叉进行,构成复杂的反应网络体系,而且反应体系间发生强偶联,给动力学研究造成很大困难。1959年,Smith首先采用四组分简化处理催化重整动力学[1],Wei等人进一步提出和完善了集总理论(Lumping)[2],使复杂反应体系的动力学研究有了突破性的进展。所谓集总理论,即是将体系中那些动力学性质相似的组分用一个虚拟组分来代替,然后构造这些虚拟集总组分的反应网络,研究它们的动力学。 近年来,国内外学者对催化重整反应机理进行了大量的研究,简化了动力学表征的方法,并在此基础上开发了许多重要的催化重整反应模型,有的并已成功地应用于工业生产过程中。具有代表性的模 收稿日期:2001-03-19 作者简介:丁福臣(1964-),男,山东郓城县,副教授,硕士。型有:Smith的四集总模型[1]、Ramage等的十三集总模型[3]、翁惠新等的十六集总模型[4]、Froment的二十八集总模型[5]等。有些模型已开发出应用软件,成功地用于工业过程的离线优化或在线控制,为企业创造了巨大的经济效益。 本文根据集总理论原则,在研究重整反应机理的基础上,提出十七集总组分的催化重整反应网络及动力学模型,以更好地预测产品的芳烃产率分布和汽油辛烷值。 1 组分集总和反应网络模型 根据催化重整反应机理和反应的动力学及热力学特点,为满足实际应用的需要,本着尽量简化和实用的原则,提出十七集总反应动力学模型,主要基于以下考虑: (1) 重整物料中C5及C5以下组分含量少,一般为裂化反应产物,对重整反应影响小,可归并为一个集总组分C-5。 (2) 根据集总理论的原则,反应特性相差大的组分应分别集总[2]。Ramage[3]在十三集总模型中,认为C6～C8同类烃的反应特性相差较大,应分别集总,而C8及C8以上的同类烃反应规律非常相近,可作为一个集总组分处理。翁惠新等[4]在十六集总模型中也引用了这样的做法。但本文考虑到模型的
潜流式人工湿地污水处理工艺设计 张琪 1 *，古丽扎 2 海热提 1 (1 北京化工大学环境科学与工程技术中心，北京， 100029) （2 新疆巴音郭楞蒙古自治州水利管理处。库尔勒，841000）摘要潜流式人工湿地作为一种经济生态的污水处理技术，在实际应用中取得了快速发展。为了提供更好的研究基础，本文结合国内外最新研究成果，阐述了人工湿地污水处理系统工艺设计的主要内容及存在的若干问题，提出了开展人工湿地工艺设计研究的一些设想。 关键词潜流式人工湿地污水处理水力学设计 Designing of subsurface constructed wetland systems for wastewater treatment Zhang Q1, Gu Lizar2 Hai Reti1 ( 1 Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029) (2 Government of Ba Yinguoleng Mongolia Autonomous Xin Jiang 841000) Abstract Subsurface constructed wetland is an economical and high-effective type for wastewater treatment, and had a quick development in actual application. Main contents and problems of the process design of subsurface wetland for wastewater treatment are summarized with new research in domestic and international, and some research interests are proposed in this paper. Key Words Subsurface constructed wetland, Wastewater treatment, Hydraulics, Design 1．引言 人工湿地污水处理技术在20世纪50年代诞生于德国，进入60年代，该技术逐渐开始被用于处理工业废水、生活污水、农业点源污染和面源污染以及河道治理的生态修复等。作为一种生态治理污水的方法，其基于天然湿地的净化机理使得人工湿地技术具有投资小，处理效果好，运行维护方便等特点，而且比天然湿地对污水的处理提供了更好的条件。在湿地中应用人为的控制措施，可以优化系统去除BOD、COD、营养元素和其它污染物的性能，还可以作为一种美学景观，最大限度地将污水处理和生态保护结合起来[1]。 *联系人：张琪（1983—），男，北京化工大学环境工程硕士研究生，主要研究领域是生态修复。 E-mail:kongiong_2001@https://www.doczj.com/doc/699338793.html,
人工湿地设计常用概念 1.水力停留时间（HRT）： 水力停留时间可以定义为湿地可用容积与平均水流量的比值，可以用来衡量污水与湿地的平均接触反应时间。 T：水力停留时间，d；V：湿地容积，m3；ε：基质孔隙率；Q av 平均流量，m3/d。 表面流人工湿地:3~8 d，亦有长达20d的。 潜流人工湿地：2~4 d，也短至数小时的。 对于潜流湿地而言，由于ε随时间的变化二变化，其实际水力停留时间通常是理论值的40%~80%。 2.孔隙度（ε）： 指人工湿地充填介质中，存在于介质间的孔隙体积占全部体积的百分比。 容重 密度 容重是指指单位容积内物体的重量。（表观密度） 孔隙率是湿地中比较难以确定的一个因素，其在空间上的变化非常复杂。 对于表面流人工湿地，它的平均值一般高于0.95，很多人把他当成1.0来考虑。 对于潜流湿地则更加复杂，潜流湿地采用渗透性好的基质，平均
碎石粒径与孔隙率一般有如下关系： D p:粒径0.2~6mm（滤料层），过渡层4~8 mm，排水层和覆盖层8~16 mm；不对，这是胡康萍1991年在对白泥坑人工湿地研究中取得的经验模型，完全不对。 潜流人工湿地中基质的平均孔隙率一般在0.30~0.45范围内，基质粒径并不均匀，性状也不一致，孔隙率最好由实验决定。但在湿地实际运行中，根系占据较上部空间，而矿物沉积占据底部空间。用排水法测量也欠妥当，因为湿地内部存在积水问题。 3.系统水量 Q out:人工湿地出水量，m3/d；Q in：人工湿地进水量,m2；A：人工湿地面积，m2；P：单位面积人工湿地降雨量，m/d；I：单位人工湿地渗入量；ET：单位面积人工湿地蒸发量，m/d。在一些人工湿地设计中，认为降雨量和蒸发量处于平衡状态，可以不考虑，同时可以通过设置一定高度的包气带来容纳一定的降水量。通常人工湿地构造中会设置防渗层，渗入量亦可以不考虑。 在人工湿地设计中还应考虑水量的变化。 4.水平潜流人工湿地进水所需的断面面积 A c：水流过的填料横截面面积，m2；Q：设计流量，m3/d；K：设计渗透系数m3/(m2·d)，在系统前30%长度区，K一般取填料渗透系
第四章 系统动力学仿真模型 由于上海地区的汽车市场只是全国市场的一部分，其供应系统除了上海本地汽车生产企业之外，还有全国各地的汽车企业。随着加入WTO ，汽车产业逐步放开，将使我国的汽车市场成为国际市场的一部分，而价格也将与国际市场接轨。另外世界汽车市场上潜在的生产能力极大，总体上已经形成生产过剩的卖方市场。因此上海地区的汽车市场主要是需求问题。研究上海市私车发展的主要问题也将是需求问题。本文建立上海地区私车变化的系统动力学模型，从需求方面来研究上海市的私车发展。 §4.1 系统分析 §4.1.1 系统边界的确定 系统动力学分析的系统行为是基于系统内部要素相互作用而产生的，并假定系统外部环境的变化不给系统行为产生本质的影响，也不受系统内部因素的控制。因此系统边界应规定哪一部分要划入模型，哪一部分不应划入模型，在边界内部凡涉及与所研究的动态问题有重要关系的概念模型与变量均应考虑进模型；反之，在界限外部的那些概念与变量应排除在模型之外。 图4-1 上海市私家车系统组成结构图 根据系统论原理，一个完整的城市居民私家车消费系统不仅包括汽车的流通、交换和消费等环节，而且还包括城市人口、经济、社会环境和消费政策、公交等其他指系统，它是一个复杂的社会经济大系统（图4-1）。只有建立一个适合于该系统的动态分析模型，才可能全面准确地研究系统中各因素间的相互作用关系和它们对系统行为的影响。 根据系统建模的目的，本文研究系统的界限大体包括以下内容： 私车的需求量 私车的报废量 私车的市场保有量 私车的价格 私车的使用费用 私车的上牌费用 牌照限额 居民人均可支配收入 上海市人口数量 上海市总户数 私车发展系统 城市公交系统 城市市政系统 汽车市场系统 人口经济系统
潜流湿地 潜流湿地是目前较多采用的人工湿地类型。 在潜流湿地系统中, 污水在湿地床的内部流动, 一方面可以充分利用填料表面生长的生物膜、丰富的根系 及表层土和填料截流等的作用, 以提高其处理效果和处理能力; 另一方面由于水流在地表以下流动, 具有 保温性能好、处理效果受气候影响小、卫生条件较好的特点。这种工艺利用了植物根系的输氧作用, 对有 机物和重金属等去除效果好, 但控制相对复杂, 脱氮除磷效果欠佳。 根据废水径流的方式，人工湿地可以分为三种模式：表流湿地、潜流湿地和立式湿地。 表流湿地中废水在填料表面漫流，绝大部分有机物的降解由位于浸没在废水中的植物茎基部的生物膜中的微生物完成。这种湿地模式没有充分利用植物根系的吸收以及附着在根系上的微生物的作用，也忽略了土壤层中填料的作用，而且夏季容易滋生蚊蝇;潜流湿地指的是砂砾层组成的浅床一湿池植物系统，被处理废水经配水系统分布从填料床的一端均匀平缓流过填料床植物根区，是一个主要由土壤、湿地植物和微生物组成的生态处理系统;立式湿地综合了表流湿地和潜流湿地特点，但其构造要求高，卫生条件也较差。目前国内外广泛应用的主要是潜流湿地。 潜／表流人工湿地属于污水水体净化技术领域，用墙围成一个人工湿地，在人工湿地一端设置一个污水池，湿地内设置两道墙将其分割成三部分，两侧为潜流人工湿地，中间为表流人工湿地，潜流湿地高于表流人工湿地；潜流湿地靠近污水池的一端稍高于另一端，表流湿地靠近污水池的一端稍低于另一端；潜流湿地靠近污水池一端的墙上设有进水口，另一端与表流湿地之间的隔墙为穿孔墙，表流湿地靠近污水池的一端设有穿过污水池的出水口。潜流人工湿地的下层为用砾石或粒径为３－５厘米的石灰石组成的填料床，上层为田园土；表流人工湿地内填入田园土。本实用新型具有设计合理、水力负荷高、操作维护方便、污染物去除效果好、改善人工湿地卫生条件的特点。
人工湿地动力学模型的建立 摘要：人工湿地作为一种较新的水处理技术，对其处理机理的理解还不够充分，对其影响因素的认识还不够全面，因此经常由于设计不当使得出水达不到设计要求或者不能达标排放，有时人工湿地甚至还会成为污染源。因此对湿地污染物去除动力学的研究可以为湿地的设计提供进一步的理论支持。本文概要地介绍了人工湿地污水处理的污染物去除动力学模型的研究进展。 关键词：人工湿地动力学模型水处理 Progress of Development of Kinetic Models for Pollutants Removal with Constructed Wetlands Abstract：Constructed wetlands provide an economical and effective method for wastewater treatment. Usual kinetic models for pollutants removal in the treatment of wastewater with constructed wetlands include first －stage kinetic models and Monod models，both of which are based on the mass balance of pollutants in stable status.In future，it is also necessary to take into consideration the effects of space distribution of vegitation and actual residence time in improving and developing the mathematic models. Key words：constucted wetlands；kinetic model；wastewater treatment 自西德1974年首次建造人工湿地以来，由于其具有投资低、出水水质好、操作简单、维护运行费用低等特点，被广泛用于生活污水、矿山酸性废水[3-4]、纺织工业[5]和石油工业[6-7]等工业废水的处理。 人工湿地作为一种较新的水处理技术，对其处理机理的理解还不够充分，对其影响因素的认识还不够全面，因此经常由于设计不当使得出水达不到设计要求或者不能
系统动力学与案例分析 一、系统动力学发展历程 （一）产生背景 第二次世界大战以后，随着工业化的进程，某些国家的社会问题日趋严重，例如城市人口剧增、失业、环境污染、资源枯竭。这些问题范围广泛，关系复杂，因素众多，具有如下三个特点：各问题之间有密切的关联，而且往往存在矛盾的关系，例如经济增长与环境保护等。 许多问题如投资效果、环境污染、信息传递等有较长的延迟，因此处理问题必须从动态而不是静态的角度出发。许多问题中既存在如经济量那样的定量的东西，又存在如价值观念等偏于定性的东西。这就给问题的处理带来很大的困难。 新的问题迫切需要有新的方法来处理；另一方面，在技术上由于电子计算机技术的突破使得新的方法有了产生的可能。于是系统动力学便应运而生。 （二）J.W.Forrester等教授在系统动力学的主要成果： 1958年发表著名论文《工业动力学——决策的一个重要突破口》，首次介绍工业动力学的概念与方法。 1961年出版《工业动力学》(Industrial Dynamics)一书，该书代表了系统动力学的早期成果。 1968年出版《系统原理》(Principles of Systems)一书，论述了系统动力学的基本原理和方法。 1969年出版《城市动力学》(Urban Dynamics)，研究波士顿市的各种问题。 1971年进一步把研究对象扩大到世界范围，出版《世界动力学》(World Dynamics)一书，提出了“世界模型II”。 1972年他的学生梅多斯教授等出版了《增长的极限》(The Limits to Growth)一书，提出了更为细致的“世界模型III”。这个由罗马俱乐部主持的世界模型的研究报告已被翻译成34种语言，在世界上发行了600多万册。两个世界模型在国际上引起强烈的反响。 1972年Forrester领导MIT小组，在政府与企业的资助下花费10年的时间完成国家模型的研究，该模型揭示了美国与西方国家的经济长波的内在机制，成功解释了美国70年代以来的通货膨胀、失业率和实际利率同时增长的经济问题。(经济长波通常是指经济发展过程中存在的持续时间为50年左右的周期波动) （三）系统动力学的发展过程大致可分为三个阶段： 1、系统动力学的诞生—20世纪50-60年代 由于SD这种方法早期研究对象是以企业为中心的工业系统，初名也就叫工业动力学。这阶段主要是以福雷斯特教授在哈佛商业评论发表的《工业动力学》作为奠基之作，之后他又讲述了系统动力学的方法论和原理，系统产生动态行为的基本原理。后来，以福雷斯特教授对城市的兴衰问题进行深入的研究，提出了城市模型。 2、系统动力学发展成熟—20世纪70-80年代 这阶段主要的标准性成果是系统动力学世界模型与美国国家模型的研究成功。这两个模型的研究成功地解决了困扰经济学界长波问题，因此吸引了世界范围内学者的关注，促进它在世界范围内的传播与发展,确立了在社会经济问题研究中的学科地位。 3、系统动力学广泛运用与传播—20世纪90年代-至今 在这一阶段,SD在世界范围内得到广泛的传播,其应用范围更广泛,并且获得新的发展.系统动力学正加强与控制理论、系统科学、突变理论、耗散结构与分叉、结构稳定性分析、灵敏度分析、统计分析、参数估计、最优化技术应用、类属结构研究、专家系统等方面的联系。许多学者纷纷采用系统动力学方法来研究各自的社会经济问题，涉及到经济、能源、交通、环境、生态、生物、医学、工业、城市等广泛的领域。 （四）国内系统动力学发展状况 20世纪70年代末系统动力学引入我国，其中杨通谊，王其藩，许庆瑞，陶在朴，胡玉奎等专家学者是先驱和积极倡导者。二十多年来，系统动力学研究和应用在我国取得飞跃发展。我国成立国内系统动力学学会，国际系统动力学学会中国分会，主持了多次国际系统动力学大会和有关会议。 目前我国SD学者和研究人员在区域和城市规划、企业管理、产业研究、科技管理、生态环保、海洋经济等应用研究领域都取得了巨大的成绩。 二、系统动力学的原理 系统动力学是一门分析研究信息反馈系统的学科。它是系统科学中的一个分支，是跨越自然科学和社会科学的横向学科。系统动力学基于系统论，吸收控制论、信息论的精髓，是一门认识系统问题和解决系统问题交叉、综合性的新学科。从系统方法论来说，系统动力学的方法是结构方法、功能方法和历史方法的统一。 系统动力学是在系统论的基础上发展起来的，因此它包含着系统论的思想。系统动力学是以系统的结构决定着系统行为前提条件而展开研究的。它认为存在系统内的众多变量在它们相互作用的反馈环里有因果联系。反馈之间有系统的相互联系，构成了该系统的结构，而正是这个结构成为系统行为的根本性决定因素。